Converte energia de uma forma noutra forma. Detecta ou mede uma quantidade física

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1 Princípios básicos dos sensores Transdutor e Sensor Converte energia de uma forma noutra forma Detecta ou mede uma quantidade física Pode-se medir bem sem haver grande eficiência na conversão de energia (5% ou 0,1% pode ser bom, dependendo da aplicação). Já a linearidade, a resolução, a reprodutibilidade, etc são importantes para uma boa medição. Um sensor baseia-se normalmente num transdutor ou é ele próprio um transdutor Só nos interessam, por razões óbvias, os sensores cuja saída é eléctrica (electrical output) Actuador: : converte sinal eléctrico numa saída física 1

2 Um Sensor para cada aplicação Posição, nível, deslocamento Velocidade, aceleração Força Pressão Fluxo Electromagnético Acústico Humidade Luz Radiação Temperatura Químico deslocamento temperatura (Nobel 2009) Luz 2

3 Um SINAL é uma representação unívoca de informação em função de uma variável independente (ex. tempo) Em processos físicos a informação é geralmente a medida de uma certa forma de energia I avr V1 V4 Control And feedback Measurand Primary Sensing element Sensor Variable Conversion element Power source Signal processing Output display Perceptible output Calibration signal Data storage Data transmission Radiation, electric current, or other applied energy Componentes de um sistema de instrumentação generalizado. O sensor converte energia (informação) do mensurando para outra forma (eléctrica). O sinal é então processado e apresentado/registado de uma forma perceptível de modo a fornecer a informação. Ligações a tracejado são opcionais em certas aplicações. 3

4 Electrodes Z 2 v ecg Z body Z 1 60-Hz ac magnetic field +V cc + Differential amplifier v o Displacement currents V cc Esquema simplificado de um sistema registador de ECG Sistema de Instrumentação Médica Mensurando: Designação Designação lata que pode significar quantidade física, propriedade ou condição a ser medida pelo instrumento. Sensor: dispositivo que converte essa quantidade/energia energia num sinal eléctrico Sensor: Acondicionamento do sinal: Todo Todo o processamento analógico do sinal (amplificação, filtragem, subtracção de offset,, etc antes da colocação directa num display ou da eventual digitalização. Conversão A/D A/D: Digitalização do sinal para posterior processamento por técnicas numéricas e/ armazenamento da informação. Processamento/Visualização/transmissão: Tratamento em computador. Tratamento da Informação 4

5 Características da medida (ou do instrumento) Rigor/exactidão (Accuracy): diferença entre o valor medido e um valor de referência (valor verdadeiro verdadeiro ), % Resolução: menor quantidade incremental que pode ser inequivocamente medida Repetibilidade (reproductibilidade): capacidade do instrumento ou sistema de produzir a mesma saída para as mesmas condições aplicadas (não implica rigor) Sensibilidade: mede o grau de variação da saída a variações da entrada Precisão (precision): relação entre o intervalo de valores em que o valor medido está contido com uma determinada confiança e o valor de escala máxima (full scale) Caract. da medida (cont) Deriva do Zero - Zero-drift (or offset or baseline drift): alteração com o tempo da medida do "zero" ou valor da linha de base devido a condições várias Deriva de Sensibilidade - Sensitivity drift: variação da sensibilidade com o tempo Linearidade: if x1 is input, y1 is response and if x2 is input, y2 is response then if x1 + x2 is input, then y1 + y2 is response. if k*x1 is input then k*y1 is response. Gama de entrada : máximo e mínimo valor permitido da grandeza a medir para uma resposta linear 5

6 Características intrínsecas dos sensores Há obviamente conceitos que tanto fazem sentido referidos ao sistema de medida ou especificamente aos sensores (Linearidade /Não-Linearidade, Reproductibilidade, sensibilidade ) Função de transferência (Relação entre a medida e o valor da grandeza física) Linear : S = a + bs Logarítmica: S = a + b ln s Função potência: S = a + bs k Função exponential: S = a e ks Gama dinâmica Razão entre os valores máx e mín do estímulo que podem ser medidos pelo sensor. em decibels: db = 20 log s 2 /s 1 Características do Sensor (cont.) Gama de saída - (Full Scale Output) Diferença algébrica entre os sinais eléctricos de saída quando são aplicados os estímulos máx e mín. Histerese - Desvio na resposta do sensor ao sinal de entrada dependendo do sentido de variação. Saturação - Limite de operação do sensor quando já não responde a variação do estímulo. Distorção do sinal -Impedância de saída, Z out, de um sensor é importante para evitar distorção provocada pelo circuito de saída. Para sensores que geram tensão, baixa Z out é preferível com alta Z in no circuito de entrada. 6

7 Caract. Sensor (cont.) Características dinâmicas Tempo de arranque (Warm-up Time): Os sensores precisam normalmente de um período inicial de aquecimento até atingirem as características estáveis especificadas Resposta em Frequência: Descrição da resposta do sensor a variações dinâmicas do estímulo Constante temporal (τ): Medida da inércia do sensor; tempo que demora a atingir 63% do valor estacionário final 2 τ =86.5%; 3 τ =95%. Frequência de corte (Cutoff Frequency - upper & lower): frequência do estímulo para a qual o sinal de saída cai para 0,707 do seu valor máximo (3 db). Algumas Ilustrações 7

8 Sensor signal Sensor signal Measurand (a) Measurand (b) (a) Sensor de baixa sensibilidade/baixo ganho. (b) Ganho elevado Characteristic with zero and sensitivity drift y (Output) Total error due to drift y (Output) y' + Sensitivity drift x' d Zero drift Intercept b x d y Slope m = y x d + Zero drift Sensitivity drift y = mx d + b x d (Input) x d (Input) (a) (b) Figure 1.3 (Webster) (a) Curva da Sensibilidade que relaciona o valor da entrada que se quer determinar com a saída. Pode ser constante apenas numa determinada gama de valores da entrada (b) Desvio do Zero e desvio da Sensibilidade. 8

9 Sensor signal Measurand Uma loop de histerese. A curva de saída obtida quando o mensurando varia num sentido é diferente da curva de saída obtida quando a variação é no sentido contrário (crescimento/decrescimento). (a) (b) Medida com (a) baixa precisão e (b) alta precisão. 9

10 (a) (b) Medida com (a) baixo rigor (accuracy) e (b) grande rigor. Output Output Input Input (a) (b) (a) Sistema linear obedece à equação y = mx + b. (b) Sistema não-linear. 10

11 1.0 Amplitude Hz 150 Hz Frequency Resposta em frequência Sinais Amplitude Amplitude Time Time (a) (b) (a) Sinais analógicos podem ter qualquer valor de amplitude. (b) Sinais digitais têm um número de amplitudes limitado. 11

12 Amplitude Amplitude Time Time (a) (b) (a) Sinal contínuo no tempo (b) Sinal discreto no tempo (amostrado periodicamente). (a) (b) (a) Sinal sem ruído. (b) Interferência sobreposta no sinal é causa de erro. Filtros de frequência são dispositivos que são usados para diminuir o ruído ou interferência. Interferência electromiográfica num sinal de ECG 12

13 Representação de sinais no domínio do tempo e no domínio da frequência 1 y = sin( ωt) y = sin( 2ωt) 0.5 v (V) t (s) Sinais sinusoidais de diferentes frequências. Qualquer sinal períódico pode ser representado por uma série de senos ou de cosenos (Série de Fourier). Os sinais não periódicos têm uma representação no domínio da frequência dada pela Transformada de Fourier 13

14 Exemplo simples: Função em dente de serra Análise de Fourier Representação no domínio das frequências 1 harmónica 4 harmónicas Resumo da análise de Fourier para diferentes tipos de sinais 14

15 Dois temas incontornáveis quando se fala de sinais eléctricos: -Circuitos Eléctricos -Conversão Analogico-Digital Parâmetros médicos comuns (condicionam as características dos equipamentos). Measurement Blood flow Blood pressure Cardiac output Electrocardiography Range Signal Frequency, Hz Sensor Method 1 to 300 ml/s 0 to 20 Electromagnetic or ultrasonic 0 to 400 mmhg 0 to 50 strain gage 4 to 25 L/min 0 to 20 dye dilution 0.5 to 4 mv 0.05 to 150 Skin electrodes Electroencephalography 5 to 300 µ V 0.5 to 150 Scalp electrodes Electromyography 0.1 to 5 mv 0 to Needle electrodes Electroretinography 0 to 900 µ V 0 to 50 Contact lens electrodes ph pco 2 po 2 Pneumotachography Respiratory rate 3 to 13 ph units 0 to 1 ph electrode 40 to 100 mmhg 0 to 2 pco 2 electrode 30 to 100 mmhg 0 to 2 po 2 electrode 0 to 600 L/min 0 to 40 Pneumotachometer 2 to 50 breaths/min 0.1 to 10 Impedance Temperature 32 to 40 C 0 to 0.1 Thermistor 15

16 Especificações para um sensor de pressão sanguínea são determinadas por uma comissão composta por indivíduos da academia, indústria, hospitais e governo. ESpecificação Gama de pressões Sobrepressão sem danos Valor 30 a +300 mmhg 400 a mmhg Desequilíbrio máximo (??) ±75 mmhg Linearidade e Histerese Corrente de risco a 120 V 10 µa Convivência com Defibrilhador ± 2% da leitura ou ± 1 mmhg 360 J em 50 Ω Valores de especificação para um electrocardiógrafo Specification Input signal dynamic range Dc offset voltage Slew rate Frequency response Input impedance at 10 Hz Value ±5 5 mv ±300 mv 320 mv/s 0.05 to 150 Hz 2.5 MΩ Dc lead current 0.1 µα Return time after lead switch Overload voltage without damage 1 s 5000 V Risk current at 120 V 10 µα 16